UHPC-RC节段组合梁的抗弯性能分析

严 靖, 陈 亮, 黄润钺

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

目前,随着桥梁装配化施工需求的增加,节段式桥梁被广泛应用。使用节段拼装桥梁,可以在加快施工速度的同时减少对交通的影响。然而,文献[1]研究表明,在弹性状态下,节段拼装桥梁与现浇整体桥梁的力学性能相似,而在极限状态下,由于接缝的存在,节段桥梁的力学表现与整体梁出现较大的差异。因此,作为超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)节段桥梁中重要结构部件的节段接缝,其力学性能受到学者的关注。

过去几十年,由于普通混凝土(normal concrete,NC)节段桥梁的广泛应用,对于节段桥梁的研究主要集中在接缝的抗剪能力和整体性上。文献[2]通过胶接缝直剪试验研究胶层厚度对接缝抗剪承载力的影响,结果表明随着胶层厚度的增加,单齿键接缝的抗剪强度缓慢增加;文献[3]基于ABAQUS有限元软件建立桥梁接缝处节段实体模型,并进行局部应力分析,结果表明,体外预应力节段桥在E2地震作用下,节段接缝处于全截面受压状态,剪力键均未发生脱离,接缝的设计符合抗震需求。

随着UHPC的发展,学者们开始对UHPC节段桥梁接缝的抗剪性能进行研究。为准确预测UHPC干接缝的抗剪强度,文献[4]基于莫尔圆理论,提出干接缝抗剪强度预测公式,并通过试验验证了公式的合理性;文献[5]通过直剪试验研究钢纤维掺量、侧向压力和齿键数量对UHPC胶接缝开裂荷载和极限荷载的影响,结果表明,齿键数的增加对接缝的承载力提高有限,而侧压可以显著提高接缝的抗剪承载力;文献[6]对超高性能混凝土-钢筋混凝土(ultra-high performance concrete-reinforced concrete,UHPC-RC)节段组合箱梁的抗弯性能进行试验,结果表明,在试验加载过程中,UHPC的U型梁与普通混凝土桥面板能够保持良好的协同变形能力。以上文献大多利用试验对节段接缝进行研究。近年来,由于高昂的试验研究费用促使人们开始利用有限元软件进行工程应用分析,而目前国内外关于有限元软件分析节段接缝的研究主要集中在接缝的抗剪性能上。文献[7]基于ABAQUS软件使用cohesive behavior模型研究环氧树脂胶接缝齿键试件的抗剪性能,而对于胶接缝UHPC节段梁整体力学性能的有限元研究较少。此外,为防止高预应力度造成的桥梁严重上挠,某些桥梁采用低预应力度的设计。对于低预应力度的NC节段胶接缝桥梁,文献[8]的研究表明其接缝开裂先于梁体开裂。目前对于低预应力度UHPC节段胶接缝梁的研究较少。

综上所述,目前已开展的针对NC节段梁的试验较多,但关于UHPC节段组合梁的研究却十分有限。同时,国内外大量的研究主要关注节段接缝的抗剪性能,却忽略了节段组合梁整体力学行为的研究,尤其是低预应力水平下,节段组合梁力学性能的研究较少。因此,为探究低预应力度下UHPC-RC节段组合梁的抗弯性能,本文基于文献[6,9]和相关规范[10-12],建立不同节段接缝的UHPC-RC组合梁的ABAQUS有限元模型,并进一步对模拟结果进行分析和总结。

1 有限元模型概况

1.1 试件简介

本文以文献[6]中UHPC-RC节段组合箱梁试件为原型,进行有限元分析。该梁长4 m,梁高300 mm,梁下部为预制 UHPC的U型梁,顶板为后浇的C50钢筋混凝土板。U型梁分为4个节段,每个预制节段长度为1 m。组合梁底部配置了布置4根纵向φ15.2 mm 的预应力钢绞线,张拉力为140 kN。 RC顶板纵向布置间距80 mm、直径6 mm的HRB400普通钢筋,横向布置间距100 mm、直径8 mm的HRB400普通钢筋。在预制 UHPC 的U型梁和后浇RC顶板之间预埋间距 100 mm、直径10 mm的HRB400 普通钢筋作为剪力连接件,以加强接合面的黏结。组合箱梁截面尺寸、配筋及纵向布置如图1所示。该试件加载方式为四点加载,跨中纯弯曲段为1 m。

图1 UHPC-RC节段组合梁示意图

1.2 有限元模型简介

1.2.1 材料本构

UHPC和C50混凝土采用ABAQUS中混凝土损伤塑性模型(concrete damaged plasticity,CDP),塑性参数见表1所列。表1中,k为拉伸子午线与压缩子午线上的第二应力不变量的比值。基于文献[13]提出的UHPC受压本构公式,得到的受压应力-应变关系如图2a所示,其中峰值抗压强度为135 MPa。UHPC受拉应力-应变关系采取三折线本构[14],得到的受拉应力-应变关系如图2b所示,其中抗拉强度为10 MPa。

表1 混凝土塑性参数

图2 UHPC本构曲线

桥面板的C50混凝土受拉、受压本构采用文献[10]的规定,得到的应力-应变关系如图3a所示,其峰值压应力和拉应力分别为35.5、2.75 MPa。桥面板HRB400钢筋和预应力钢筋本构如图3b所示,其中桥面板HRB400钢筋采用理想弹塑性本构模型,屈服强度为400 MPa,弹性模量为195 GPa。参考文献[11],预应力钢筋本构为三折线本构,其弹性模量为195 GPa,屈服强度和极限拉应力分别为1 200、1 860 MPa。

图3 应力-应变曲线

1.2.2 边界条件

RC桥面板与UHPC的U型梁之间采用绑定(tie)约束。为提高模型的运算速度,在保证精度的情况下,忽略普通钢筋网与混凝土的黏结滑移,将桥面板钢筋、界面抗剪钢筋内置(embeded)到混凝土实体单元中。考虑到试件的体内预应力钢筋与梁体相对滑移很小,因此预应力筋与梁体采取embeded约束。体内预应力钢筋的预应力施加方法较多,本文将采用降温法施加预应力,即通过对预应力筋进行降温使之收缩,然后通过连接将此收缩应变传递到梁体上,由此产生预应力效应。

节段接缝类型不同,其有限元建模方式也不同。作为对照组的整体现浇梁桥节段之间采用tie绑定约束,即将相邻梁段约束成一个整体,从而形成整体梁。

1) 干接缝的模拟。对于干接缝节段梁,接触面的阳面与阴面之间采取法向硬接触、切向“罚”摩擦的接触方式,其中摩擦系数为0.8。

2) 胶接缝的模拟。目前学界多使用有限元方法预测UHPC-RC节段组合梁的力学行为,而节段梁中胶接缝的界面模拟却没有统一的方式。以ABAQUS为例,节段胶接缝的有限元模拟方式主要有以下4种:① 使用完全粘结(tie绑定)对接缝界面进行简化;② 假设界面中的胶接材料是纯弹性的,使用实体单元将其模拟出来; ③ 假设胶接缝界面与干接缝力学行为相似,仅结合面间设置摩擦系数来模拟; ④ 基于零厚度的线性接触单元模拟界面。

对于UHPC节段梁之间的胶接缝,本文采用ABAQUS中cohesive behavior模型来模拟接缝环氧树脂胶的力学特性,该模型是一种基于面的黏聚力行为接触方式,能较好地模拟出接缝处的环氧树脂胶的力学行为[7]。该模型主要有双线性模型、指数模型、多项式模型、梯形模型等。其中双线性模型理论清晰,公式易于推导,在分析过程中稳定性较好,因此本文采用双线形模型,该模型本构如图4所示。

图4 cohesive behavior 双线性本构模型

图4中:Gc为胶接缝的牵引分离断裂能。

对于线弹性阶段,由于cohesive behavior模拟的界面层厚度较小,法向上的变形较小,对切向变形影响较小,一般情况下该模型本构关系可以简化为:

(1)

其中:tn、ts、tt分别为法向(沿全局z轴)、切向1(沿全局x轴)和切向2(沿全局y轴)的牵引力;knn、kss、ktt分别为x、y、z方向上的刚度;δn、δs、δt分别为相应的分离位移;δ为名义位移矩阵;K为刚度矩阵。

因为胶接缝中的接缝环氧树脂胶配合比不同,其力学特性会有较大的差异,所以本文参考文献[12]规定的Ⅱ类环氧树脂胶固化物特性值,见表2所列,得出胶接缝模型中cohesive behavior的设置参数。

表2 Ⅱ类环氧树脂胶固化物特性值 单位:MPa

1.3 基准有限元模型的验证

数值模拟与试验的荷载-扰度曲线如图5所示。

图5 数值模拟与试验的荷载-挠度曲线

从图5可以看出,有限元模拟的结果与试验结果吻合较好。在弹性阶段,有限元模拟的梁体刚度与试验梁刚度几乎一致;在裂缝发展阶段,有限元模型的节段开裂时所对应的外荷载和挠度均比试验梁略大,但误差均在10%以内;在极限状态下,有限元计算所得的试件极限荷载比试验值小6.0%,极限挠度大小几乎一致。从图5还可以看出,有限元结果与试验值在节段接缝开裂到试件达到极限荷载这一阶段的荷载-挠度曲线有些偏差,原因可能是文献[13]中试验所用预应力钢筋的极限强度高于1 860 MPa,造成试验所得的极限荷载大于有限元模拟。

此外,有限元模型与试验的对比结果见表3所列。由图5、表3可知,该基准有限元模型是合理、可靠的,能较准确地预测UHPC-RC节段组合梁的力学行为。

表3 有限元模型与试验的对比结果

为验证胶接缝模拟方法的合理性,本文基于文献[9]中UHPC平面胶接缝直剪试验,建立相应的胶接缝有限元模型,并将模型结果与试验数据进行对比,得出荷载-位移曲线,如图6所示。由文献[9]可知,胶接缝试件发生的是脆性破坏,当试件达到峰值荷载后突然发生滑移破坏,导致实验装置未能及时获取荷载-位移曲线的下降段。由图6可知,数值模拟得出荷载-位移曲线与试验值吻合较好。因此,针对胶接缝,本文采用的内聚力接触模型参数是合理的,可以较为准确地预测UHPC平面胶接缝的力学性能。

图6 数值模拟与试验的荷载-位移曲线

2 节段接缝类型研究

目前,节段拼装桥梁的节段接缝主要有节段平面干接缝、平面胶接缝、齿键干接缝和齿键胶接缝4种,显然以上4种接缝的UHPC-RC节段组合梁力学性能有些差异。因此,为探究接缝类型对UHPC-RC节段组合梁的影响,本文在基准有限元模型的基础上,建立其余3种接缝的UHPC-RC节段组合梁模型,即节段平面胶接缝、齿键干接缝和齿键胶接缝,其中齿键接缝的构造示意图如图7所示。

图7 齿键接缝节段梁示意图

同时为形成对照试验,本文又建立了整体现浇U型梁的有限元模型,有限元模型参数见表4所列。以上5个UHPC-RC节段组合梁有限元模型的荷载同文献[6]一致,均为四点抗弯加载,纯弯区段长度为1 m。

表4 有限元模型参数

此外,为精准地模拟出节段接缝处的力学行为,将节段齿键部分的网格进行了细化,网格大小约为5 mm×5 mm×5 mm。

3 结果与讨论

3.1 荷载-挠度曲线

不同节段接缝的UHPC-RC节段组合梁在四点加载下的荷载-挠度曲线如图8所示。从图8可以看出,胶接缝试件荷载-挠度曲线可分为以下3个阶段:在加载初始阶段,荷载-挠度曲线呈线性变化;当节段接缝开裂后,试件刚度下降,曲线进入非线性阶段;当达到峰值荷载后,荷载-位移曲线进入下降段直至破坏。干接缝试件的荷载-挠度曲线也可分为上述3个阶段,但与胶接缝试件有所不同的是,干接缝试件达到峰值荷载后,曲线迅速进入下降段,试件最终因预应力筋突然断裂而发生破坏。

图8 不同类型节段接缝组合梁的荷载-挠度曲线

从图8还可以看出,UHPC-RC节段胶接缝组合梁在达到峰值荷载前,荷载-挠度曲线与整体式梁十分接近。

当接缝中环氧树脂胶失效前(即节段接缝开裂之前),平面胶接缝试件的力学行为与整体式十分接近,同时其极限荷载与整体式相差很小;当接缝中环氧树脂胶失效后(即节段接缝开裂后),胶接缝试件的力学特性趋同于干接缝试件。

在裂缝发展阶段,齿键接缝组合梁的外荷载比平面接缝的略高,表明齿键接缝试件开裂后的力学性能优于平面接缝。

不同状态下的力学特性结果汇总见表5所列,峰值荷载下各试件的应力云图如图9所示,图9中单位为MPa。

表5 不同状态下的力学特性结果

图9 峰值荷载下节段拼装UHPC-RC节段组合梁应力云图

由接缝有无使用环氧树脂胶的对比发现,平面胶接缝试件和齿键胶接缝试件的极限荷载比分别比对应的干接缝高9.7%、10.0%,比整体梁低0.9%、0.5%;平面胶接缝试件和齿键胶接缝试件的接缝开裂荷载分别比对应的干接缝试件高7.1%、6.7%。对比不同节段接缝的试件达到极限荷载时的接缝开裂宽度可知,胶接缝试件的接缝开裂宽度明显小于干接缝试件。以上现象说明,使用环氧树脂胶可以改善节段梁的力学行为,提高节段梁的极限荷载和开裂荷载,降低节段接缝开裂宽度;原因是环氧树脂胶能使节段梁底拉应力在接缝处发生传递,有利于接缝面抗弯力矩的形成,从而提高节段梁的整体性。

接缝的几何特征对比发现,齿键干接缝的极限荷载比平面干接缝高0.2%,但其开裂荷载比平面干接缝低3.7%;齿键胶接缝的极限荷载比平面胶接缝高0.5%,其开裂荷载比平面胶接缝低0.4%。总之,接缝几何特征不同的节段梁之间的开裂荷载和极限荷载的差别都在4.0%以内;由此可知,接缝的几何特征对UHPC-RC节段梁开裂荷载和极限荷载的影响不是很明显。

从图9可以看出,当试件达到峰值荷载时,齿键干接缝、齿键胶接缝和平面胶接缝试件的两侧接缝在加载过程中均未发生开裂,而平面干接缝试件的两侧接缝发生了微小的竖向错位,表明平面干接缝的整体性最差。

3.2 荷载-预应力钢筋应力曲线

荷载-预应力钢筋应力曲线如图10所示。从图10可以看出,胶接缝试件的荷载-预应力钢筋应力曲线可分为如下3个阶段:在初始阶段呈线性增长;在裂缝发展阶段(裂缝开展或接缝张开),应力增长速率逐渐变大;达到峰值荷载后,荷载-预应力钢筋应力曲线进入下降段。同理,对于干接缝试件,其荷载-预应力钢筋应力曲线可分为如下2个阶段:在初始阶段呈线性增长;在裂缝发展阶段,曲线缓慢上升直至试件发生破坏。

图10 荷载-预应力钢筋应力曲线

从图10还可以看出,当试件达到峰值荷载时,胶接缝试件的体内预应力筋未达到抗拉强度值,而此时干接缝试件的预应力筋达到抗拉强度值。此外,当预应力钢筋拉应力一致时,胶接缝试件所承担的外荷载比干接缝的大,比整体现浇梁的略小。由此说明,节段接缝面使用环氧树脂胶有利于提高UHPC-RC节段组合梁的整体性,进而有利于发挥预应力钢筋的抗拉性能。

3.3 荷载-接缝开裂宽度曲线

荷载-节段接缝开裂宽度曲线如图11所示。该曲线可分为如下3个节段:初始阶段呈线性变化;在裂缝发展阶段,节段接缝张开速率逐渐变大;达到峰值荷载后,荷载-节段接缝开裂宽度曲线进入下降段。胶接缝试件对比干接缝试件发现,在裂缝发展阶段,胶接缝试件的节段接缝张开速率明显高于干接缝试件;胶接缝试件达到峰值荷载时对应的节段接缝开裂宽度要小于干接缝试件。以上现象再次表明,环氧树脂胶可以提高UHPC-RC节段组合梁的整体性,减小节段接缝的开裂宽度。

图11 荷载-接缝开裂宽度曲线

4 结 论

本文对低预应力度下,不同类型的节段接缝UHPC-RC组合梁桥展开研究,为分析其整体力学性能,建立ABAQUS有限元模型,并对结果进行分析,得出以下结论:

1) 在四点受弯加载方式下,接缝几何特征(平面或齿键)不同的节段梁之间的开裂荷载和极限荷载的差距都在4.0%以内,即接缝的几何特征对UHPC-RC节段组合梁开裂荷载和极限荷载的影响不是很明显。

2) 有无使用环氧树脂胶对组合梁的极限荷载影响较大,即节段接缝使用环氧树脂胶可以改善节段梁的力学行为,提高节段梁的整体性,增加梁的开裂荷载和极限荷载,同时降低节段接缝的开裂宽度,进而有利于发挥出预应力钢筋和UHPC的抗拉性能。

3) 本文基于cohesive behavior模型模拟环氧树脂胶接缝的方法是可行的;分析结果表明,本文建立的ABAQUS有限元模型能较为准确地模拟UHPC-RC节段组合梁的抗弯特性,为以后的节段组合梁桥的研究提供参考。